海洋碳庫隱形管理者：浮游植物如何影響全球碳循環？

2025年的夏天，許多地方都經歷了異常的高溫和熱浪。這讓我們見識了全球氣候變暖的威力。我們都知道，全球氣候變暖與大氣中的二氧化碳含量升高緊密相關。二氧化碳是一種溫室氣體，會讓地球儲存更多熱量?？茖W家們因此一直都在密切監測大氣中的二氧化碳含量。

不過，大氣并不是碳的唯一去處。海洋也在不斷吸收和儲存二氧化碳。我們一般把能夠儲存二氧化碳的地方叫做“碳庫”或“碳匯”。而海洋就是一個巨大的碳庫，海洋中的碳有不同的形態：一部分存在于浮游植物、魚類等生物體內，隨著生物的生長和死亡不斷循環；還有一部分則以“溶解有機碳”（DOC）的形式存在，以分子形式被溶解在海水里。這個溶解有機碳庫的儲量幾乎和大氣中的碳含量相當。因此海洋對于調節全球的氣候也起著至關重要的作用。

一、海洋里竟有一個“隱藏碳庫”？

想象一下，地球上有一座巨大的“碳銀行”。在這里，二氧化碳就像貨幣，被存入、轉出，維系著地球的氣候平衡。我們常常盯著大氣這家“分行”，因為它的“賬戶”里存有大約800 PgC 的二氧化碳。但如果你翻開賬本，就會發現另一件驚人的事實：海洋溶解有機碳庫（DOC），大約600–700 PgC，和大氣里的碳數量幾乎旗鼓相當。換句話說，大海里無形的“隱形存款”，和大氣分行的二氧化碳的“余額”是同一量級。

這些“碳貨幣”從何而來？很大一部分來自海洋里微小的“員工”——浮游植物。它們通過光合作用把二氧化碳“賺”進來，再經過復雜的食物網和微生物分解，部分被轉化成難以分解的溶解有機碳，最終長期留在海洋里。于是，一個關鍵的問題出現了：在這座地球級的“碳銀行”，這些微小“員工”如何管理這個龐大的“碳存款”，它們又是通過怎樣的機制來決定“存多少”、“取多少”？

二、突破性發現：浮游植物竟是碳庫“大管家”

在過去，科學界普遍認為，這些微小的浮游植物“員工”釋放到海洋里的有機碳，大多是“活性碳”——容易被細菌迅速分解、重新回到二氧化碳循環里的那一類。換句話說，它們像是把錢放進“活期賬戶”，隨時可以被取走。

然而，最新的研究卻帶來了顛覆性的發現：浮游植物產生的溶解有機碳中，有超過10%屬于“惰性碳”。這種惰性碳分子結構穩定，難以被微生物利用，就像是被存進“長期定存賬戶”，可以在海洋里存留幾十年、甚至上千年。這一數據的重要性不容小覷。它為科學界提供了直接證據，證明浮游植物并非只制造短期周轉的活性碳，而是普遍地向海洋“碳銀行”注入長期存款。換句話說，浮游植物不只是碳循環的“搬運工”，更是掌管著全球碳平衡的“大管家”。

三、技術革新：從顯微鏡到衛星的科技之旅

如果說浮游植物是碳庫的“大管家”，那么科學家要想揭開他們的“理財秘籍”，就必須有一套先進的“偵探工具”。

近幾十年，技術的飛躍讓我們逐漸看清了過去無法想象的細節。其中，一件利器便是能“看清分子指紋”的超高分辨質譜技術。它可以分辨出海洋溶解有機碳里數以萬計的分子差異，就像在龐大的賬本里逐條核對流水，區分哪些是短期周轉的“活期資金”，哪些是長期鎖定的“定存資產”。

不過，再精密的賬本也只是局部的記錄。要真正理解整個“銀行系統”的運作，還需要把視野從一個賬戶擴展到全球。這時，遙感技術登場了。如今科學家不再局限于實驗室或船只上的觀測，而是借助衛星，從太空中實時追蹤海洋浮游植物的分布與暴發。就像擁有了一張覆蓋全球的“監控圖”，我們能夠隨時觀察碳庫管理者們在浩瀚海洋中的活動。

然而，賬本的細節與全球的全景數據匯集到一起，就會變得龐雜而復雜。于是，機器學習與大數據應運而生，成為新的“會計師”。它能在海量信息中發現規律，把分子層面的精細數據和全球尺度的動態觀測結合起來，大幅提升碳循環預測的精度，幫助我們更清楚地預判海洋在未來氣候變化中扮演的角色。

憑借從分子“指紋”到全球“衛星視角”，再到人工智能的深度解析，科學家們正以前所未有的手段打開海洋碳庫的“黑匣子”。這些技術不僅讓我們更清楚地理解浮游植物這個“大管家”如何管理碳的存取，也為回答一個更宏大的問題奠定了基礎——在氣候變化的背景下，海洋這座“超級碳銀行”還將如何運行？

四、全球圖景：硅藻才是真正的“碳匯冠軍”

當我們把目光放到整個地球海洋，就會發現一個令人震驚的事實：在浮游植物家族中，硅藻才是這座“超級碳銀行”最能干的“頂尖理財官”。研究數據顯示，海洋溶解有機碳的變化中，有高達63.8%可以受到這位“理財官”的掌控。這幾乎等于告訴我們：全球碳庫的“存款量”有一半以上都掌握在硅藻手里。

更有趣的是，這些“理財管家們”在不同生長階段的“理財習慣”也不一樣。在生長期，它們釋放的惰性溶解有機碳明顯更多，相當于不斷往賬戶里加大額“定存”；而在衰退期，釋放的頑固碳比例則下降，說明“存款”效率隨季節而變化。這種周期性的差異，正是理解全球碳匯波動的關鍵線索。

如果把這些數據用圖像呈現出來，一幅壯觀的“全球海洋碳庫分布圖”將展現在我們眼前：藍色海洋中的硅藻高產區，正源源不斷地為地球的“碳銀行”輸送存款。

五、未來影響：氣候變化下的海洋碳循環

海洋碳庫的穩健運行，很大程度上取決于浮游植物的表現。浮游植物暴發的持續時間，就像分行經理每天的工作時間，直接決定了碳能存入多少“長期定存”。如果暴發周期縮短，碳存入的總量就會減少；如果延長，全球碳庫的穩健性就會增強。

同時，浮游植物群落結構的變化也至關重要。不同能力的“理財官”在釋放惰性碳的能力上存在巨大差異。硅藻是“頂尖理財官”，負責大部分長期存款；其他小型浮游植物則更多處理短期流動資金。因此，群落結構一旦發生變化，整個碳庫的功能和穩定性就可能被影響。

理解這些規律，不僅是科學探索的前沿，更是預測未來碳循環變化、評估氣候風險的重要工具。通過觀察和模擬浮游植物的活動，我們可以更精準地預判海洋碳庫在氣候變化背景下的表現。

浮游植物，這些肉眼難以見到的小微生物，卻承擔著地球級“碳理財”的重任。它們決定了大氣中二氧化碳的存量，影響著氣候調節的能力。浮游植物與其他關鍵微生物一同讓海洋碳庫在數十年乃至數百年的尺度上保持穩定。因此，保護海洋生態系統，不只是關乎生物多樣性，更是保障全球碳循環和氣候穩定的重要舉措。關注這些微小的生靈，就是在為地球的“碳銀行”守護未來。

出品：科普中國

作者：盧哲，王法明（中國科學院華南植物園）

監制：中國科普博覽